Savoir mesurer le rythme cardiaque et le taux d

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Savoir mesurer le rythme
cardiaque et le taux d’oxygène
dans le sang
Le marché des appareils médicaux d’automesure à domicile et le marché des produits
connectés intégrant des données de santé connaissent une croissance rapide.
La demande en appareils de mesure du rythme cardiaque et du taux d’oxygène
dans le sang est ainsi vouée à progresser. Les notions de base de l’oxymétrie de pouls
pour les applications médicales et le suivi personnel de santé, fonction de plus en plus
souvent intégrée dans des objets portés sur soi comme les bracelets, sont ici analysées.
Un exemple d’oxymètre de pouls capable de mesurer le rythme cardiaque et le taux
d’oxygène dans le sang est également donné.
L
es domaines du médical et
de la santé, à l’instar des
appareils utilisés dans ces
deux secteurs, connaissent
une véritable révolution alors que les
appareils de suivi des conditions physiques évoluent sur un marché qui se
caractérise par de nombreuses exigences, parfois complexes à supporter. Car les appareils que l’on trouvait
jusque-là exclusivement dans les
milieux hospitaliers sont dorénavant
utilisés à domicile, tout comme les
appareils de surveillance des conditions physiques. Ainsi les produits
grand public sont-ils de plus en plus
souvent équipés de fonctionnalités
de mesure du rythme cardiaque et
du taux d’oxygène dans le sang. Des
mesures qui peuvent être effectuées
à l’aide d’un oxymètre de pouls,
désormais disponible en tant qu’appareil médical d’automesure mais
aussi en tant que système intégré à
un bracelet de fitness.
Oxymétrie et taux
de saturation en oxygène
dans le sang
L’oxymétrie est la mesure du taux de
saturation en oxygène dans le sang,
habituellement exprimé en pourcentage. Un oxymètre de pouls est un
appareil médical non intrusif servant
à contrôler le taux de saturation en
oxygène dans le sang d’un patient
ainsi que son rythme cardiaque. Les
oxymètres de pouls sont facilement
reconnaissables à leur capteur de
2 / L’EMBARQUÉ / DÉCEMBRE 2016
AUTEUR
Zhang Feng
et Marten
Smith, Medical
Products
Group,
Microchip
Technology.
pouls en forme de pince, généralement à poser sur le doigt du patient.
Un oxymètre de pouls peut être un
appareil autonome, peut faire partie
d’un système de surveillance du
patient ou peut être intégré à un
objet connecté de type bracelet de
fitness. Les oxymètres de pouls sont
donc utilisés par les infirmiers dans
les hôpitaux, par les patients hospitalisés à domicile, par les aficionados
de fitness à la salle de sport ou
encore par les pilotes dans les
aéronefs à cabine non pressurisée.
De son côté, le taux de saturation en
oxygène dans le sang est mesuré en
analysant l’hémoglobine qui est le
pigment des globules rouges du
sang, qui assure le transport de l’oxygène vers les cellules de l’organisme
et qui leur donne cette couleur
rouge. L’hémoglobine existe sous
deux formes. La première est appelée
oxyhémoglobine (ce qui signifie
« chargé en oxygène ») et est notée
HbO2. La deuxième est appelée
hémoglobine réduite non oxygénée
(qui signifie « pauvre en oxygène »)
et est notée Hb. La « saturation pulsée de l’hémoglobine en oxygène »
1 LES DEUX MÉTHODES D’OXYMÉTRIE
La mesure de la lumière émise à travers les tissus s’appelle l’oxymétrie
de transmission (1), tandis que la mesure de la lumière réfléchie par
les tissus s’appelle l’oxymétrie de réflexion (2).
Lumière
Oxymétrie
de transmission
Oxymétrie
de réflexion
Lumière
Détecteur
Détecteur
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2 SIGNAUX DES PULSATIONS DE LUMIÈRE ROUGE ET INFRAROUGE
Capturées en temps réel par un oscilloscope, les amplitudes des impulsions (Vpp)
des signaux de lumière rouge et infrarouge sont mesurées et converties en Veff
(ou VRMS) pour calculer un rapport.
(SpO2) est donc le rapport entre
l’oxyhémoglobine et l’hémoglobine
réduite non oxygénée. Cette relation
peut être exprimée ainsi :
SpO2 = HbO2 / (Hb + HbO2)
La valeur du taux de saturation en
oxygène dans le sang est exprimée
en pourcentage. Le taux normal est
de 97 % ou plus.
L’une des propriétés particulièrement
intéressantes de l’hémoglobine est
qu’elle réfléchit et absorbe la lumière.
Par exemple, Hb absorbe plus (et
réfléchit moins) la lumière rouge
visible. HbO2, pour sa part, absorbe
plus (et réfléchit moins) la lumière
infrarouge. Puisque la saturation pulsée de l’hémoglobine en oxygène
peut être déterminée en comparant
les valeurs Hb et HbO2, l’une des
méthodes permettant de réaliser cette
opération consiste à faire passer la
lumière d’une LED rouge et celle
d’une LED infrarouge à travers une
partie du corps (comme le doigt ou
le poignet) puis à comparer leur
intensité relative. Pour ce faire, on
utilise habituellement deux méthodes
(figure 1). La mesure de la lumière
émise à travers les tissus s’appelle
l’oxymétrie de transmission, tandis
que la mesure de la lumière réfléchie
par les tissus s’appelle l’oxymétrie de
réflexion. En général, la plupart des
systèmes de surveillance des patients
des hôpitaux intègre un oxymètre de
pouls de transmission. Cependant,
parmi les appareils de fitness récents
qui sont des objets connectés, nombreux sont ceux qui utilisent la
méthode d’oxymétrie de réflexion.
La mesure du pouls
avec un oxymètre de pouls
Quand le cœur bat, il fait circuler le
sang dans le corps. À chaque battement cardiaque, le sang est compressé dans des vaisseaux capillaires
dont le volume augmente très légèrement. Entre chaque battement cardiaque, leur volume décroît. Cette
différence de volume affecte la quantité de lumière telle que la quantité
de lumière rouge ou infrarouge qui
traverse les tissus. Bien que cette
fluctuation soit infime, elle peut être
mesurée à l’aide d’un oxymètre de
pouls en utilisant les mêmes réglages
que ceux mis en œuvre pour mesurer la saturation pulsée de l’hémoglobine en oxygène.
Typiquement les oxymètres de pouls
surveillent la saturation pulsée en
oxygène (SpO2) du sang humain en
analysant les caractéristiques d’absorption de l’oxyhémoglobine
(HbO2) et de l’hémoglobine réduite
non oxygénée via la mesure de la
lumière rouge (avec une longueur
d’onde de 600-750 nm) et la lumière
infrarouge (avec une longueur
d’onde de 850-1 000 nm) absorbées.
Ce type d’oxymètre de pouls émet
tour à tour de la lumière rouge et
infrarouge à travers une partie du
corps comme le doigt du patient,
lumière ensuite détectée par un capteur à photodiode.
La photodiode est traditionnellement
utilisée pour recevoir la lumière non
absorbée de chacune des LED. Le
signal est ensuite inversé à l’aide
d’un amplificateur opérationnel. Le
signal obtenu représente la lumière
qui a été absorbée par le doigt
(figure 2). Les amplitudes des impulsions (Vpp) des signaux de lumière
rouge et infrarouge sont mesurées et
converties en Veff (ou VRMS) pour
produire un rapport tel que :
3 EXEMPLE D’UNE COURBE D’ÉTALONNAGE
La table de correspondance est un élément clé de l’oxymètre de pouls. À chaque type
d’oxymètre correspond une table spécifique, généralement basée sur une courbe
d’étalonnage.
Courbe d'étalonnage
L’EMBARQUÉ / DÉCEMBRE 2016 /
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4 SCHÉMA D’UN SYSTÈME D’OXYMÈTRE DE POULS DE TRANSMISSION
Ce montage électronique d’un système d’oxymètre de pouls de transmission permet de mesurer à la fois le pouls et le niveau
de saturation pulsée de l’hémoglobine en oxygène.
Pilote de LED
Conditionnement du signal analogique
Contrôleur de signal
numérique
Commutateur
analogique
Courant de contrôle des LED
A/N
Unité de calcul
analogique-numérique (CAN). La
table de correspondance est un élément clé de l’oxymètre de pouls. À
chaque type d’oxymètre correspond
une table spécifique qui est généralement basée sur les courbes d’étalonnage (figure 3) obtenues, entre
autres, après de nombreuses mesures
prises sur différents sujets à différents
niveaux de SpO2.
Rapport = (Red_AC_Vrms/Red_DC) /
(IR_AC_Vrms/IR_DC)
La SpO2 peut être déterminée à l’aide
de la valeur du rapport et d’une table
de correspondance conçue à partir
de formules empiriques. Le pouls
peut être calculé à partir du nombre
d’échantillons et de la fréquence
d’échantillonnage du convertisseur
Un circuit ad hoc
pour réaliser des mesures
de pouls
Le montage d’un système d’oxymètre de pouls de transmission
(figure 4) permet de mesurer à la fois
le pouls et le niveau de saturation
pulsée de l’hémoglobine en oxygène. La sonde SpO2 utilisée dans cet
5 SCHÉMA DE TEMPORISATION
Pour obtenir le bon nombre d’échantillons numérisés derrière le convertisseur A/N et avoir assez de temps pour traiter les données
avant le prochain allumage des LED, celles-ci s’éteignent et s’allument selon un schéma précis de temporisation.
Lecture
Lecture
du
convertisseur
du convertisseur
N/A
N/A
Lecture
du convertisseur
A/N
Traitement
de la donnée
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6 DONNÉES EN ENTRÉE ET DONNÉES FILTRÉES
On voit ici, sur l’écran de l’oscilloscope, en rouge le signal d’entrée du filtre FIR, et en vert le signal en sortie du filtre FIR.
(Axe des abscisses, nombre d’échantillons CAN. Axe des ordonnées, valeurs des codes CAN).
exemple est un capteur sous forme
de pince à doigt prêt à l’emploi qui
intègre une LED rouge, une LED
infrarouge et une photodiode. Les
LED sont contrôlées via un circuit de
pilotage de LED. La lumière rouge et
la lumière infrarouge (IR) traversant
le doigt sont détectées par le circuit
de traitement du signal et sont
ensuite envoyées vers le module de
conversion A/N sur 12 bits qui est
intégré au contrôleur de signal
numérique (DSC, Digital Signal
Controller) qui, de son côté, calcule
le pourcentage de SpO2. Un commutateur analogique unipolaire bidirectionnel piloté par deux signaux PWM
issus du DSC, allume et éteint les
LED rouge et IR tour à tour.
Pour obtenir le bon nombre d’échantillons CAN et avoir assez de temps
pour traiter les données avant le prochain allumage des LED, celles-ci
s’éteignent et s’allument selon un
schéma de temporisation précis
(figure 5). Le courant et l’intensité des
LED sont contrôlés par le convertisseur numérique-analogique (CNA)
12 bits, lui-même piloté par le DSC.
Le circuit de traitement du signal,
quant à lui, comporte deux étages.
Le premier est l’amplificateur à transimpédance et le second est l’amplificateur de gain. Un filtre passe-haut
est placé entre les deux étages. L’amplificateur à transimpédance convertit les quelques microampères de
courant qui sont générés par la photodiode en quelques millivolts. Le
signal reçu par l’amplificateur du
premier étage passe ensuite par un
filtre passe-haut conçu pour réduire
les interférences lumineuses de l’environnement. La sortie du filtre
passe-haut est ensuite envoyée à
l’amplificateur du second étage avec
QUELQUES SOURCES D’INFORMATION…
n Système d’oxymètre
de pouls
Principles of Pulse Oximetry Technology (« Principes
de la technologie des oxymètres de pouls », 2002).
Site oximetry.org consulté
le 23 avril 2014 :
http://www.oximetry.org/
pulseox/principles.htm
n Microchip Technology
Inc., Centre de conception
médicale en ligne :
http://www.microchip.
com/pagehandler/en-us/
products/medical/pulseoximeter.html/
ou bien cliquer sur
« Pulse Oximeter » sous
la barre de navigation
des Applications à gauche
sur la page http://www.
microchip.com/medical
n Webster, J. G. (1997).
Design of Pulse Oximeters
(« Conception d’oxywmètres de pouls »), Bristol
and Philadelphia: Institute
of Physics Publishing.
n Simulation d’oxymètres
de pouls
Fluke Biomedical. (2007).
Index 2XL SpO2 Simulator
User Manual (« Manuel
d’utilisation du simulateur
SpO2 Index 2XL »).
un gain de 22 et un décalage en courant continu de 220 mV. Les valeurs
pour le gain de l’amplificateur et le
décalage de courant continu sont
fixées pour que le niveau du signal
de sortie de l’amplificateur de gain
se situe dans la plage du convertisseur A/N intégré dans le microcontrôleur.
Quant à la sortie du circuit de traitement du signal analogique, elle est
reliée au module de conversion A/N
sur 12 bits intégré au DSC. Dans
l’exemple choisi, un circuit DSC
dsPIC de Microchip Technology
(dsPIC33FJ128GP802) permet de
tirer parti non seulement des capacités de traitement intégrées (DSP)
mais aussi de l’outil de conception
de filtre numérique de Microchip.
Concrètement, un échantillon numérisé derrière le CAN est capté pendant la période d’allumage de chacune des LED, et un second
échantillon est relevé pendant la
période d’extinction des deux LED.
En raison de la difficulté que représente la prise de mesure basée sur
une lumière traversant des tissus
organiques, l’outil de conception de
filtres a été utilisé pour mettre en
œuvre un filtre numérique de la
bande passante (filtre FIR) de longueur 513, autorisant le filtrage des
données du convertisseur A/N. Ces
données filtrées ont ensuite été utilisées pour calculer l’amplitude de la
pulsation (figure 6).
n
L’EMBARQUÉ / DÉCEMBRE 2016 /
5
Une première mondiale en matière de
mesure de courant “côté haut”
Une sortie analogique configurable et un bus numérique pour mesurer le courant
et la puissance
Le PAC1921 de Microchip est le premier capteur de courant/puissance “côté haut” à
pouvoir mesurer puissance, courant et tension à partir d’une seule et même broche de
sortie analogique.
Utilisant un bus numérique à deux fils pour optimiser la communication des données
et les diagnostics, ainsi qu’une sortie analogique configurable pour minimiser la
latence des données, le PAC1921 améliore la flexibilité dans les applications de gestion
d’alimentation à haute vitesse.
La sortie analogique du PAC1921 peut être réglée pour des entrées de microcontrôleur à
3 V, 2 V, 1,5 V ou 1 V et mesurer la puissance consommée par un système alimenté entre
0 et 32 V.
Flexibilité des mesures de puissance et des diagnostics
Registre d’accumulation de 39 bits
Gain en courant configurable sur 128 valeurs
Gain en tension configurable sur 32 valeurs
www.microchip.com/get/eupac1921
Le nom et le logo de Microchip sont des marques déposées de Microchip Technology Incorporated aux États-Unis et dans d’autres pays. Toutes les autres marques commerciales ci-dessus mentionnées sont respectivement la
propriété des sociétés concernées. © 2015 Microchip Technology Inc. Tous droits réservés. DS20005431A. MEC2031Fre12/15